Titolo della review: Topology in soft and biological matter Rivista in cui sarà pubblicato: Physics Reports (https://www.sciencedirect.com/journal/physics-reports)
Il ricchissimo mondo dei fenomeni di natura topologica nella materia soffice e biologica è stato presentato nell’articolo “Topology in soft and biological matter”, appena pubblicato sulla prestigiosa rivista Physics Reports (https://doi.org/10.1016/j.physrep.2024.04.002).
Il lavoro è stato realizzato grazie allo sforzo collaborativo di un gruppo internazionale di 59 scienziati, fra cui i professori Orlandini e Locatelli del Dipartimento di Fisica e Astronomia (DFA) dell’Università di Padova e coordinato a livello internazionale dal Prof. Luca Tubiana dell’Università di Trento (ed ex-studente al DFA).
L’articolo conclude il percorso di 4 anni della COST Action CA17139 EUTOPIA (https://eutopia.unitn.eu/): l’iniziativa, finanziata dal programma europeo COST (https://www.cost.eu/). EUTOPIA ha visto una straordinaria partecipazione di scienziati da quasi tutti i Paesi dell’Unione Europea nonché da paesi partners (come la Turchia, Israele e gli USA). “La review è unica nel suo genere- spiega Enzo Orlandini- per la varietà degli argomenti trattati e per lo sforzo di proporre un linguaggio comune che riveli e ne amalgami i tratti in comune a beneficio delle diverse comunità e per la capacità di sottolineare elementi di contatto tra sistemi fisici a prima vista molto diversi fra di loro. Per realizzare quest’ultimo obiettivo, la chiave è stata proprio il carattere collaborativo e il lavoro di coordinazione e revisione”.
“Secondo il dizionario- spiega Emanuele Locatelli- la topologia è la branca della matematica che si occupa delle proprietà di linee o filamenti che rimangono intatte a seguito di qualunque deformazione o manipolazione di questi oggetti, che non preveda “tagli” e “ricuciture”. Un esempio della vita di tutti i giorni sono i lacci delle scarpe: annodarli consiste nel far passare un capo sotto l’altro. Se immaginassimo di incollare le estremità dei capi del laccio l’uno contro l’altro, il nodo rimarrebbe completamente bloccato all’interno dello stesso e non ci sarebbe altra maniera di scioglierlo se non quello di tagliare la stringa”.
Tuttavia, la topologia riveste un ruolo essenziale non solo nella comprensione di oggetti astratti in ambito matematico ma fenomeni di natura topologica compaiono, in modi più o meno intuitivi, nei più disparati contesti che vanno dalla fisica teorica (teorie di campo) alla meccanica statistica dei polimeri, e da fenomeni idrodinamici a diverse scale alla materia soffice (polimeri, cristalli liquidi e altri fluidi complessi, comprese le bio-molecole di fondamentale importanza come DNA, RNA e proteine). Il lavoro presenta quindi un quadro d’insieme dello stato dell’arte delle applicazioni dei concetti topologici in ambito matematico, fisico, chimico e biologico: parte dal linguaggio rigoroso della matematica dei nodi e delle teorie di campo della fisica, illustra le più recenti tecniche computazionali e algoritmi per quantificare le proprietà topologiche di molecole reali, passando poi in rassegna gli ambiti in cui i fenomeni topologici emergono nei principali sistemi di materia soffice. Particolare focus è dedicato ai materiali polimerici convenzionali e al ruolo della topologia sulle loro proprietà reologiche (ovvero di risposta alle deformazioni), ai nodi nelle proteine, alle interazioni topologiche nei cromosomi (procarioti ed eucarioti) ed alle strutture topologiche nei cristalli liquidi, con particolare enfasi sugli effetti nei sistemi viventi come i tessuti epiteliali. Per ultimo, ma non meno importante, la review offre prospettive sulla ricerca attuale e futura nei diversi campi presi in considerazione.
L’apporto del DFA alla review è stato centrale. Il Prof. Locatelli ha contribuito con una sezione sulle proprietà topologiche di filamenti fuori dall’equilibrio e coordinando i contributi sulle loro proprietà reologiche dei sistemi polimerici. Il Prof. Orlandini, che può vantare un’unica esperienza nel campo, essendo un pioniere delle proprietà topologiche nei sistemi polimerici, ha offerto diversi contributi, illustrando algoritmi computazionali per il rilevamento di strutture topologiche, discutendo lo stato dell’arte dei risultati esatti (in senso matematico) e approssimati in sistemi minimali di polimeri ed elucidando il ruolo delle interazioni topologiche fra proteine.
